Kurze Risse: Ein Problem für die Lebensdauervorhersage 11.11.2004 Reinhard Pippan   Erich Schmid-Institute of Material Science, Austrian Academy of Sciences

fehlerfreies Bauteil fehlerbehaftete Bauteile Die unterschiedlichen Methoden zur Berechnung von zyklisch belasteten Bauteilen Spannungs- oder dehnungsbasierte Bauteilberechnung (klassische Festigkeitslehre, Plastizitätslehre Betriebsfestigkeitslehre .......) Schadenstolerante Bauteilbewertung (Bruchmechanik) Grundannahme fehlerfreies Bauteil fehlerbehaftete Bauteile maximale Spannung < zulässige Spannung zulässige Spannung = charakteristische Versagensspannung / Sicherheitsfaktor …….. Risstreibkraft < Risswiderstand oder da/dN= f (DK) Spannungsamplitude oder Dehnungsamplitude krz Nf Ni kfz Gigacycle fatigue 106 Bruchlastspielzahl DKth

Damage Tolerant Dauerfestigkeits- und Lebensdauervorhersage (Risslänge << charakteristische Bauteilabmessungen) lgDs N = 105 N = 104 Dsth = DKth/(pa)1/2 N = 4 DKth lg Risslänge lg Defektgröße

Versagensdiagramm (Kitagawa – Diagramm)

Der Bereich der kurzen Risse (kleine Fehler) ist heute noch immer jener Bereich in dem wir die größten Unsicherheiten in der Lebensdauervorhersage haben !!!! Unsicherheitsbereich für die Dauerfestigkeit

Bereich kurzer Risse Verallgemeinertes Kitagawa - Diagramm Erweiterung bestimmte Lebensdauer Bereich kurzer Risse

Typisches Kurzrissverhalte: eindeutige Zusammenhang zwischen da/dN und DK geht verloren da/dN von kurzen Rissen ist größer als von langen Rissen der Schwellwert DKth von kurzen Rissen ist kleiner als von langen

Typen von kurzen Rissen Wichtigster Punkt beim der Beurteilung seines Problems ist die Einteilung in die richtige Klasse !!! Typen von kurzen Rissen mikrostrukturell kurze Risse a <~ d mechanisch kurze Risse a <~ w physikalisch (extrinsisch) kurze Risse a < 1mm chemisch kurze Risse a <~ l mechanistisch kurze Risse ???? d w l

Einflussbereich der unterschiedlichen Arten von kurzen Rissen vielfach hat man es mit einer Mischung der verschieden Typen von kurzen Rissen zu tun

Beispiel: Ermüdungsverhalten einer teilchenverstärkten Al Gusslegierung. Dauerfestigkeit und Lebensdauer werden bestimmt von relativ großen Gussfehlern.

Typische Mikrostruktur der untersuchten Legierungen RT Wöhler Kurven Typische Mikrostruktur der untersuchten Legierungen 339 R = 0.1 RT 339 +20% SiC sehr große Streuungen

Vergleich der einfachen bruchmechanischen Langrissabschätzung mit dem tatsächlichen Versagensverhalten

359 + 20% SiC R = 0.1 Bestimmung der Dauerfestigkeit riss- oder fehlerbehafteter Werkstoffe mit Hilfe der R-Kurve für den Schwellwert

Vergleich von R- Kurvenberechnung und tatsächliches Versagen

Einfache Bestimmung der Risslängenabhängigkeit des Schwellwertes für den Ermüdungsrissfortschritt

Typisches Ergebnis eines R-Kurven Schwellwertsversuch von einer Al- Legierung

R = -1 R = 0.1 R = 0.6 R = 0.8 359 + 20%; RT Einfluss von der Mittelspannung auf das R-Kurvenverhalten und das Versagens -Diagramm

Anwendung des R –Kurvenkonzept auf ein Bauteil Prüfstand für die Ermüdungsversuche an Bremstrommel

Vergleich Vorhersage und Bauteilversuch Übergang: Ermüdung - Restbruch Vergleich Vorhersage und Bauteilversuch Anriss

Risswachstumsverhalten in kurzen Kerben in Armco Fe

Hauptursache für die Risslängenabhängigkeit der Ermüdungsrisswachstumsrate von extrinsisch kurzen Rissen im Falle des Kleinbereichsfließen in duktilen Werkstoffen ist Änderung der Rissschließlast

Zusammenfassung Berechnungen auf Basis von Langrissdaten können die Lebensdauer und Dauerfestigkeit beachtlich überschätzen. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich kurze Risse auch heute schon mit bruchmechanischen Konzepten beschreiben. Je nach Art von der kurzen Rissen muss man aber sehr unterschiedlich vorgehen.